從商代恢弘的青銅神樹，到唐代絢麗的鎏金雙獅紋銀碗，再到明代新潮的鋼鐵結(jié)構(gòu)建筑靈沼軒……一件件或大或小的金屬文物是中華文明璀璨歷史的證明與結(jié)晶。但這些金屬文物的材質(zhì)化學(xué)性質(zhì)活潑，在自然環(huán)境中容易腐蝕劣化。

監(jiān)測腐蝕狀態(tài)、抑制腐蝕發(fā)生、清理文物銹蝕部分等工作一直是保護(hù)金屬文物的重點(diǎn)、難點(diǎn)，需要關(guān)注的問題諸多，包括但不限于：如何在不破壞文物的情況下得到和其腐蝕相關(guān)的精確數(shù)據(jù)？對于不可移動的大型文物，該怎么在實(shí)驗(yàn)室外進(jìn)行腐蝕情況檢測？文物表面形狀各異，什么樣的檢測儀器適用范圍能更廣？

在今年的第三屆“文物科技創(chuàng)新論壇”上，北京大學(xué)考古文博學(xué)院胡鋼副教授展示的一支“神奇畫筆”給了這些問題新的解答。這種長度僅有十幾厘米的“電化學(xué)性質(zhì)檢測筆式探頭”，不僅能更加便捷、快速、無損地在多種環(huán)境下進(jìn)行金屬文物的電化學(xué)性質(zhì)的檢測，甚至還能以“還原”的方式處理某些文物上的銹蝕。

“筆尖輕點(diǎn)”

獲取金屬文物電化學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)

光看外形，這種新型的電化學(xué)性質(zhì)檢測探頭幾乎和粗筆觸的馬克筆沒什么兩樣，但其實(shí)它細(xì)細(xì)的筆身里裝的可不是顏料。

形似馬克筆的多種規(guī)格筆式探頭

如果將它的外層保護(hù)殼拿掉，可以看到輔助電極、參比電極和預(yù)先注入的凝膠電解質(zhì)。科研人員可以通過筆頭接觸金屬文物粗糙銹蝕表面，探測到其電化學(xué)參數(shù)。

據(jù)胡鋼介紹，金屬文物在自然環(huán)境中腐蝕主要為電化學(xué)腐蝕過程。在這一過程中，電流流動與離子傳導(dǎo)等一系列行為決定了材料的腐蝕速度，想要對金屬文物現(xiàn)有腐蝕狀態(tài)和保護(hù)效果進(jìn)行評估，就需要對完整電極行為進(jìn)行判斷研究，充分解讀其腐蝕電化學(xué)過程的每一個(gè)環(huán)節(jié)。因此對文物材料電化學(xué)性質(zhì)的檢測，是診斷金屬文物腐蝕成因，研究其腐蝕機(jī)理，評估其保護(hù)、修復(fù)效果最直接有效的方法。

在傳統(tǒng)的溶液體系電化學(xué)測試中，需要對文物基體進(jìn)行有損取樣，才能構(gòu)建出三電極系統(tǒng)以獲取材料樣品的電化學(xué)參數(shù)，這很大程度限制了電化學(xué)技術(shù)在金屬文物腐蝕研究上的拓展應(yīng)用。而本次展示的這種筆式探頭可以通過直接接觸文物構(gòu)建出三電極系統(tǒng)，完成原位無損或微損的檢測，獲得確定的檢測電極面積和穩(wěn)定的電化學(xué)數(shù)據(jù)。

適用范圍廣闊

可參與到各類金屬文物保護(hù)修復(fù)的多個(gè)環(huán)節(jié)

在過去的兩年多時(shí)間里，胡鋼帶領(lǐng)賈明浩、胡沛等博士研究生團(tuán)隊(duì)，從多維度地進(jìn)行試驗(yàn)研究，從光澤的金屬表面到帶銹的金屬表面，從固態(tài)的凝膠到液態(tài)的凝膠，并嘗試多種電極的布局方式，一步步對探頭進(jìn)行改進(jìn)突破，獲得各方參數(shù)，解決了探頭內(nèi)電極分布、文物帶銹表面隨行、檢測信號穩(wěn)定等一系列問題，讓這款筆式探頭具備了接界電勢小、保水能力強(qiáng)、尺寸柔性穩(wěn)定等亮眼優(yōu)點(diǎn)。

而后，在胡鋼團(tuán)隊(duì)通過筆式探頭進(jìn)行的極化曲線測試、電化學(xué)阻抗譜測試、電化學(xué)噪聲測試等試驗(yàn)中，這種探頭都能提供不錯(cuò)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為評估金屬文物腐蝕狀態(tài)和保護(hù)效果提供更科學(xué)具體的依據(jù)。

胡鋼表示，輕巧便攜的筆式探頭可以參與到金屬文物保護(hù)、修復(fù)的各個(gè)環(huán)節(jié)，比如清洗脫鹽、緩蝕、加固、封護(hù)、檢測評估等，其“苗條的身形”還有助它適配大大小小、形狀各異的文物。而且理論上不管是鋼鐵、金銀還是青銅，只要是金屬的文物，在開路電位參數(shù)穩(wěn)定且指標(biāo)明確后，都能夠用這種筆式探頭進(jìn)行電化學(xué)性質(zhì)的檢測。

值得一提的是，如果要檢測面積較大的文物“銹跡”，這只筆頭細(xì)小的筆式探頭是否就無能為力了呢？對此胡鋼認(rèn)為并不用擔(dān)心，“如果以后有這樣的需求，基本上直接將筆式探頭的結(jié)構(gòu)放大就行。我們對它的技術(shù)很有信心，它連小面積的電化學(xué)信號都能準(zhǔn)確捕捉，更大面積的有效信號也是很有希望實(shí)現(xiàn)的。”

原位無損檢測+還原

解決金屬文物腐蝕問題有了新方法

目前胡鋼團(tuán)隊(duì)已經(jīng)和國內(nèi)多家博物館合作，用此探頭對各類金屬文物開展了測試，從四川“江口沉銀”遺址的銀器銀飾，到北京故宮靈沼軒的鋼鐵建筑結(jié)構(gòu)，這種筆式探頭都有“用武之地”。

在新文物的發(fā)掘保護(hù)中，這支小小的探頭也已經(jīng)發(fā)揮了大作用。報(bào)告上，胡鋼介紹了團(tuán)隊(duì)的筆式探頭助力我國南宋古船“南海一號”上鐵鍋文物保護(hù)監(jiān)測的案例。

現(xiàn)場測試場景

他提到，在發(fā)掘“南海一號”出水鐵鍋后，因?yàn)閳F(tuán)隊(duì)充分利用了探頭進(jìn)行檢測，并合理地使用了得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，使文物保護(hù)研究人員得以明確篩選保護(hù)材料，高效開展保護(hù)修復(fù)工作，在較短的時(shí)間內(nèi)控制住了鐵鍋因氧化腐蝕而導(dǎo)致的粉化開裂現(xiàn)象，有效地將它們穩(wěn)定保存了起來，“如果不重點(diǎn)關(guān)注，這類文物在短期內(nèi)就可能脆化粉化了。”

此外，采訪中胡鋼還告訴記者，團(tuán)隊(duì)研發(fā)的筆式探頭不僅僅能測出金屬文物的電化學(xué)性質(zhì)，還能對文物某些腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行“還原處理”，“比如青銅文物上的有害銹，我們可以通過將接觸‘銹跡’的筆頭通電的方法，讓銹蝕的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)其化學(xué)性質(zhì)的還原。”